TÍNH NĂNG ĐỘNG CƠ TOYOTA 3Y CHẠY BẰNG BIOGAS
Bài báo trình bày kết quả đo công suất động cơ đánh lửa cưỡng bức chạy bằng biogas được cải tạo từ động cơ ô tô Toyota 3Y. Thực nghiệm được tiến hành trên hiện trường, tại nơi sản xuất biogas với băng thử thủy lực FROUDE. Kết quả cho thấy khi chuyển động cơ xăng của phương tiện vận tải thành động cơ tĩnh tại chạy bằng biogas thì tốc độ cực đại của động cơ giảm. Mức độ giảm tốc độ cực đại này càng cao đối với biogas có thành thành CH4 càng thấp. Công suất động cơ biogas tại vị trí tốc độ định mức sau khi cải tạo giảm khoảng từ 20% (đối với biogas giàu) đến 30% (đối với biogas nghèo) so với khi chạy bằng xăng tại vị trí tốc độ tương ứng.
Khi thành phần CH4 trong biogas tăng từ 60% lên 78% thì công suất cực đại động cơ tăng 8%. Nếu sử dụng bộ chế hòa khí đơn giản để cung cấp biogas cho động cơ thì công suất động cơ có thể giảm đến 30% so với khi sử dụng bộ cung cấp nhiên liệu GATEC 21 có điều chỉnh lưu lượng biogas. Tăng góc đánh lửa sớm theo tốc độ động cơ là cần thiết để cải thiện tính năng công tác của động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức.
I. GIỚI THIỆU Việc tận dụng các động cơ ô tô đã qua sử dụng để chuyển thành động cơ tĩnh tại chạy bằng biogas mang nhiều ý nghĩa thiết thực trong sản xuất và đời sống ở nông thôn nước ta. Trên thực tế những động cơ tĩnh tại có mặt trên thị trường thường có công suất bé. Những động cơ cỡ lớn rất đắt tiền, không phù hợp với đầu tư của vùng nông thôn.
Việc chuyển đổi động cơ ô tô chạy xăng thành động cơ tĩnh tại chạy bằng biogas, ngoài bộ tạo hỗn hợp cần lắp thêm bộ điều tốc để ổn định tốc độ. Những động cơ này thường có tốc độ cực đại cao nên khi chuyển sang chạy bằng biogas, tốc độ cực đại của động cơ bị giảm do tốc độ cháy của hỗn hợp biogas-không khí thấp hơn hỗn hợp xăng-không khí [2]. Theo [1] thì tốc độ động cơ chạy bằng biogas không vượt quá 3000 vòng/phút. Mặt khác biogas thường có chứa một hàm lượng đáng kể CO2 nên nhiệt trị của nhiên liệu thấp. Tất cả những yếu tố này làm cho công suất của động cơ biogas được cải tạo từ động cơ xăng ô tô thấp hơn nhiều so với công suất động cơ nguyên thủy.
Bài viết này trình bày kết quả nghiên cứu thực nghiệm về ảnh hưởng của nhiên liejeu và quá trình cung cấp nhiên liệu đến tính năng động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức được cải tạo từ động cơ xăng ô tô Toyota 3Y
II. BỐ TRÍ THÍ NGHIỆM Động cơ Toyota 3Y là động cơ 4 kỳ, 4 xy lanh, có tỉ số nén 8,8, đường kính xy lanh 86mm, hành trình piston 86mm, đạt công suất 63kW ở tốc độ 4.200-4.600 vòng/phút. Đây là động cơ được lắp trên các kiểu xe thông dụng của Toyota (hình 1).
Để chuyển đổi động cơ thành động cơ tĩnh tại chạy bằng biogas, chúng ta phải lắp thêm bộ phụ kiện GATEC 20 và bộ tạo hỗn hợp để đảm bảo thành phần hỗn hợp cung cấp cho động cơ là tối ưu và giữ ổn định tộc độ động cơ ở các chế độ tải khác nhau (hình 2). Trong thí nghiệm này, bộ tạo hỗn hợp kiểu bộ chế hòa khí đơn giản được dùng để cung cấp nhiên liệu cho động cơ (hình 3).
Do tốc độ cháy của hỗn hợp biogas-không khí thấp nên khi chuyển sang chạy bằng biogas, tốc độ cực đại của động cơ giới hạn ở mức thấp hơn tốc độ định mức khi chạy bằng xăng. Công suất định mức của động cơ khi chạy bằng biogas giảm so với khi chạy bằng xăng bởi 3 lý do chính sau đây:
– Biogas là nhiên liệu khí nên làm giảm thể tích không khí nạp vào động cơ
– Biogas có chứa CO2 làm giảm nhiệt trị nhiên liệu
– Tốc độ cực đại của động cơ giảm so với khi chạy bằng xăng
Vì vậy khi chuyển động cơ xăng lắp trên ô tô thành động cơ tĩnh tại chạy bằng biogas chúng ta cần đo đạc lại tính năng của nó để có thể bố trí trên các máy công tác phù hợp.
Hình 4 giới thiệu ảnh chụp của hệ thống thí nghiệm. Động cơ biogas được lắp trên băng thử FROUDE và toàn bộ hệ thống được đặt lên xe tải nhẹ để có thể vận chuyển đến nơi sản xuất biogas làm thí nghiệm.
Biogas được lọc H2S bằng vật liệu bentonite. Hàm lượng CH4 ra khỏi lọc khoảng 60% và hàm lượng H2S khoảng 100ppm. Nhiên liệu lọc xong được chứa sẵn trong túi ni lông để cung cấp cho động cơ.
Để tăng hàm lượng CH4 trong biogas, chúng ta tăng cường thêm lọc hấp thụ bằng NaOH. Hệ thống nối tiếp hai lọc này cho phép chúng ta nhận được biogas giàu với hàm lượng CH4 lên đến trên 90% và hàm lượng H2S còn khoảng 50ppm.
Chúng ta có thể pha trộn hai nguồn biogas này để đặt được giá trị trung gian của thành phần CH4.
III. KẾT QUẢ Hình 5 giới thiệu sơ đồ nguyên lý bộ tạo hỗn hợp đơn giản dùng để cung cấp biogas cho động cơ thí nghiệm. Bướm ga dùng để điều chỉnh lượng hỗn hợp biogas-không khí nạp vào động cơ, do đó làm thay đổi công suất động cơ. Van biogas dùng để tiết lưu đường cung cấp biogas do đó làm nhiệm vụ điều chỉnh thành phần hỗn hợp.
Hình 6 biểu diễn đường đặc tính ngoài của động cơ trong 2 trường hợp: trường hợp cố định độ mở van cung cấp biogas và trường hợp điều chỉnh độ mở van cung cấp biogas để đạt thành phần hỗn hợp tối ưu ở mỗi chế độ tốc độ cho trước. Nhiên liệu biogas chứa 78% CH4, góc đánh lửa sớm được cố định js=40°.
Trong trường hợp độ mở van cung cấp biogas cố định, theo nguyên lý của bộ chế hòa khí đơn giản, để đảm bảo thành phần hỗn hợp tối ưu vùng tải thấp thì ở vùng tải cao thành phần hỗn hợp sẽ đậm đặc, làm xấu đi quá tình cháy do đó ảnh hưởng đến công suất động cơ. Kết quả trên hình cho thấy khi công suất động cơ nhỏ hơn 10HP, thành phần hỗn hợp đảm bảo cho động cơ hoạt động tốt. Vượt quá công suất này, thành phần hỗn hợp trở nên giàu khiến cho công suất động cơ tăng chậm.
Trong trường hợp thứ hai, ứng với mỗi chế độ tốc độ động cơ và vị trí bướm ga cho trước, van biogas được điều chỉnh sao cho công suất động cơ đạt được giá trị lớn nhất. Đường đặc tính ngoài khi điều chỉnh độ mở van biogas cao hơn đường đặc tính ngoài trong trường hợp độ mở van biogas cố định. Ở vùng tốc độ thấp (n<1200 vòng/phút) sự khác biệt giữa 2 đường đặc tính ngoài này không đáng kể, nhưng ở vùng tốc độ cao (n>2000 vòng/phút), chênh lệch công suất của hai đường đặc tính này lên đến 30%.
Trong trường hợp biogas chứa 60% CH4, chúng ta cũng nhận được kết quả tương tự (hình 7). Kết quả này cho thấy bộ chế hòa khí đơn giản không phù hợp để cung cấp biogas cho động cơ đánh lửa cưỡng bức. Để đảm bảo động cơ hoạt động tốt, chúng ta cần có cơ cấu tác động đồng thời lên bướm ga và van cung cấp biogas. Điều này đã được áp dụng trong thiết kế, chế tạo bộ phụ kiện GATEC 21 để chuyển đổi động cơ xăng thành động cơ biogas [4], trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết và mô hình hóa bộ tạo hỗn hợp biogas-không khí cho động cơ đánh lửa cưỡng bức [3].
Kết quả thực nghiệm trên cho thấy công suất cực đại của động cơ Toyota 3Y khi chạy bằng biogas chứa 78% CH4 ở 3000 vòng/phút là 40HP. Công suất nguyên thủy của động cơ khi chạy bằng xăng là 63kW ở 4600 vòng/phút, tính gần đúng động cơ đạt công suất 56 HP ở 3000 vòng/phút. Như vậy công suất động cơ giảm 28,57% khi chuyển sang chạy bằng biogas ở 3000 vòng/phút.
Khi động cơ chạy bằng biogas chứa 60% CH4 thì công suất cực đại đạt được là 33HP ở tốc độ 2500 vòng/phút. Ở tốc độ này khi động cơ chạy bằng xăng thì công suất đạt được là 46HP. Như vậy khi chuyển sang chạy bằng biogas trong trường hợp này công suất động cơ giảm khoảng 28%. Tại vị trí tốc độ này, khi động cơ chạy bằng biogas chứa 78% CH4 thì công suất giảm 22%.
Khi tốc độ động cơ càng cao thì quá trình cháy trong động cơ biogas càng kém do tốc độ cháy của biogas thấp. Điều này dẫn tới mức độ giảm công suất động cơ biogas tăng theo tốc độ so với khi chạy bằng xăng.
Hình 8 so sánh đường đặc tính ngoài động cơ Toyota 3Y khi chạy bằng biogas chứa 78% CH4 và 60% CH4 trong trường hợp độ mở van biogas được điều chỉnh để đảm bảo thành phần hỗn hợp tối ưu. Khi biogas chứa 78% CH4, tốc độ ổn định cực đại của động cơ khoảng 3000 vòng/phút; khi biogas chứa 60% CH4, tốc độ này đạt 2500 vòng/phút. Điều này cho thấy tốc độ cháy của động cơ giảm đáng kể khi thành phần CO2 trong biogas tăng.
Kết quả trên hình 8 cho thấy khi hàm lượng CH4 trong biogas tăng từ 60% lên 78% thì công suất ngoài của động cơ tăng khoảng 10%.
Trong trường hợp độ mở van biogas cố định, mức độ giảm công suất cực đại của động cơ chạy bằng biogas chứa 78% CH4 và chạy bằng biogas chứa 60% CH4 khoảng 8% (hình 9). Điều này có thể được lý giải khi hàm lượng CH4 chứa trong biogas thấp thì mức độ tăng độ đậm đặc của hỗn hợp theo tải thấp hơn so với trường hợp biogas chứa hàm lượng CH4 cao.
Hình 10 giới thiệu biến thiên công suất động cơ Toyota 3Y khi chạy bằng biogas theo tốc độ ứng với các vị trí độ mở bướm ga khác nhau. Biogas cung cấp cho động cơ chứa 60% CH4. Góc đánh lửa sớm được cố định ở js=40°. Độ mở van biogas không thay đổi. Kết quả này cho thấy độ mở bướm ga ảnh hưởng mạnh đến biến thiên công suất theo tộc độ. Trong khoảng tốc độ 1250 vòng/phút đến 2250 vòng/phút đường đặc tính động cơ bị lõm xuống phía dưới, công suất không biến thiên tỉ lệ thuận với tốc độ. Điều này một mặt là do thành phần hỗn hợp thay đổi khi tăng tải theo đường đặc tính của bộ chế hòa khí đơn giản, và mặt khác, khi tốc độ tăng, góc đánh lửa sớm ban đầu không còn phù hợp.
Khi cho cơ cấu điều chỉnh góc đánh lửa sớm hoạt động, góc đánh lửa sớm thay đổi theo tốc độ động cơ như trình bày trên hình 11. Đường đặc tính ngoài của động cơ khi chạy với biogas chứa 60% CH4, van biogas cố định, ứng với trường hợp góc đánh lửa sớm cố định và trong trường hợp góc đánh lửa sớm biến thiên theo tốc độ động cơ được giới thiệu trên hình 12. Kết quả cho thấy khi góc đánh lửa sớm tăng theo tốc độ động cơ thì đường đặc tính ngoài được cải thiện đáng kể so với trường hợp góc đánh lửa sớm cố định.
III. KẾT LUẬN– Khi chuyển động cơ xăng của phương tiện vận tải thành động cơ tĩnh tại chạy bằng biogas thì tốc độ cực đại của động cơ giảm. Mức độ giảm tốc độ cực đại này càng cao đối với biogas có thành thành CH4 càng thấp.
– Mức độ giảm công suất động cơ Toyota 3Y khi chuyển sang chạy bằng biogas ứng với vị trí tốc độ định mức sau khi cải tạo nằm trong khoảng từ 20% (đối với biogas giàu) và 30% (đối với biogas nghèo)
– Khi thành phần CH4 trong biogas tăng từ 60% lên 78% thì công suất cực đại động cơ tăng 8%
– Để nâng cao tính năng của động cơ, cần có cơ cấu thay đổi góc đánh lửa sớm theo tốc độ.
– Để đảm bảo thành phần hỗn hợp biogas-không khí tối ưu cung cấp cho động cơ, bộ phận điều chỉnh tải động cơ cần tác động đồng thời lên bướm hỗn hợp và van cung cấp biogas.
TÀI LIỆU THAM KHẢO1. Klaus von Mitzlaff: Engines for Biogas. Deutsche Gesellschaft für Technische Zusammenarbeit (GTZ) GmbH, 1988
2. James L. Walsh, Charles C. Ross, Micheal S. Smith: Handbook on Biogas utilization. US Department of Energy, 1988
3. Bùi Văn Ga, Trần Văn Nam, Lê Xuân Thạch:Mô phỏng dòng chảy qua bộ tạo hỗn hợp động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức bằng phần mềm Fluent. Tạp chí Khoa học và Công nghệ các Trường Đại học Kỹ thuật số 80-2011, pp. 134-138
4. Bùi Văn Ga:Bằng độc quyền sáng chế số 9562 “Hệ thống cung cấp nhiên liệu biogas cho động cơ tĩnh tại chạy bằng hai nhiên liệu biogas-xăng”. Cục Sở hữu trí tuệ, 16-08-2011
